AB變頻器應(yīng)用中的問題及對(duì)策探討

鄭繼遠(yuǎn)

（萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司）

AB變頻器應(yīng)用中的問題及對(duì)策探討

鄭繼遠(yuǎn)

（萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司）

在化工生產(chǎn)中，低壓異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制普遍采用變頻器來完成。本文針對(duì)AB變頻器在現(xiàn)場應(yīng)用中出現(xiàn)的調(diào)速運(yùn)行不穩(wěn)定、掉電重起動(dòng)失敗以及長線驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)端過電壓等問題，通過不斷分析改進(jìn)和試驗(yàn)論證，提出具體的對(duì)策并予以實(shí)施，使變頻器能更加穩(wěn)定地運(yùn)行。

AB變頻器；參數(shù)調(diào)整；邏輯優(yōu)化；電路改進(jìn)；問題及對(duì)策

0 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，變頻器以其優(yōu)良的調(diào)速性能和運(yùn)行效率，逐步替代傳統(tǒng)的調(diào)速控制裝置而得到廣泛應(yīng)用。為便于工藝控制和實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，某石化一體化裝置大量選用美國AB公司的PowerFlex 750系列低壓交流變頻器。該系列變頻器具有卓越的傳動(dòng)控制性能和豐富的故障保護(hù)功能，可涵蓋現(xiàn)場絕大部分的應(yīng)用需求。本文結(jié)合AB變頻器的特點(diǎn)，分析其在調(diào)試和運(yùn)行中發(fā)生的實(shí)際問題，并提出具體的優(yōu)化及改造措施。

1 變頻器調(diào)速運(yùn)行不穩(wěn)定問題

本工程中，AB變頻器是由DCS控制系統(tǒng)給定4～20mA電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)速的。試運(yùn)行時(shí)，給定某一工作頻率后，變頻器在給定頻率的附近范圍內(nèi)出現(xiàn)頻繁加、減速的問題。

1.1 原因分析

使用信號(hào)發(fā)生器直接對(duì)變頻器施加4～20mA調(diào)速信號(hào)，不會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象，排除變頻器自身存在缺陷的可能。調(diào)速信號(hào)從DCS控制柜傳輸至變頻器柜，通道距離較長容易受到干擾，測量變頻器接收到的4～20mA信號(hào)確實(shí)有較大波動(dòng)。

同時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)調(diào)速信號(hào)電纜的屏蔽層未引至DCS控制柜的接地小銅排上，且DCS控制室的等電位地網(wǎng)也未與主接地網(wǎng)相連接，造成柜內(nèi)所有信號(hào)及電源電纜屏蔽層均懸空，使得信號(hào)線上存在較高感應(yīng)電壓而影響調(diào)速信號(hào)的傳輸。

1.2 采取的對(duì)策

1）使用截面積不小于100mm2的銅纜將DCS控制柜的等電位地網(wǎng)與主接地網(wǎng)相連接，并將信號(hào)電纜的屏蔽層進(jìn)行單端接地，可以在一定程度上減小線路感應(yīng)電壓對(duì)調(diào)速信號(hào)的干擾。

2）調(diào)整AB變頻器的模擬輸入濾波器參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置見表1。通過內(nèi)部參數(shù)調(diào)整，增強(qiáng)變頻器對(duì)模擬輸入量的采樣處理能力，進(jìn)一步消除調(diào)速信號(hào)中的擾動(dòng)因素，使運(yùn)行保持穩(wěn)定。

表1 AB變頻器模擬輸入濾波器參數(shù)表

2 變頻器掉電重起動(dòng)失敗問題

為保證電機(jī)及其負(fù)載的連續(xù)運(yùn)行，變頻器應(yīng)具備掉電重起動(dòng)功能。帶負(fù)荷進(jìn)行掉電試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)變頻器不能重新起動(dòng)，而是報(bào)“F10114-I1 Main PS Low”（I1主電源電壓過低）故障，且一直保持在“Stop asserted”（確認(rèn)停機(jī)）狀態(tài)。

2.1 原因分析

前期調(diào)試得知，AB變頻器若先送控制電源、后送主電源，就會(huì)報(bào)F10114故障且不能自行復(fù)位，這是由其內(nèi)部缺陷造成的。正常操作時(shí)，可以采取先送主電源、后送控制電源的方法予以避免。但因控制電源采用外部UPS直供，在變頻器掉電及其恢復(fù)過程中便無法防止F10114故障的報(bào)出。在這種故障狀態(tài)下，變頻器屏蔽起動(dòng)指令。

AB變頻器的低電壓穿越能力較差，需依賴外部智能控制器根據(jù)輸入電源的電壓情況判斷和發(fā)出起動(dòng)指令來完成。單獨(dú)對(duì)智能控制器做掉電試驗(yàn)，變頻器均能收到重起動(dòng)信號(hào)。經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直流母線電壓跌落至75%以下時(shí)，若輸入電源恢復(fù)正常，變頻器將先進(jìn)入預(yù)充電狀態(tài)。只有在預(yù)充電完成后，變頻器才進(jìn)入Ready狀態(tài)，接受有效的起動(dòng)信號(hào)，否則保持在停機(jī)狀態(tài)。因此，要實(shí)現(xiàn)變頻器重起動(dòng)，最好從內(nèi)部邏輯控制的角度優(yōu)化改進(jìn)，一并解決故障及起動(dòng)信號(hào)處理的不利問題。

2.2 采取的對(duì)策

AB變頻器配置DeviceLogix嵌入式組件，可用于編制應(yīng)用程序和實(shí)現(xiàn)輔助控制功能。本例采用Logix控制邏輯實(shí)現(xiàn)變頻器掉電重起動(dòng)，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 AB變頻器掉電重起動(dòng)參數(shù)表

利用比較器NEQ邏輯，當(dāng)變頻器報(bào)F10114故障時(shí)使DOP2置“0”，而報(bào)其他故障時(shí)使DOP2置“1”。將DOP2與原故障狀態(tài)DIP03相“與”，作為新故障狀態(tài)DOP3輸出，確保變頻器不因上電而報(bào)故障。當(dāng)輸入電源恢復(fù)正常后，使用預(yù)充電過程信號(hào)DIP2和完成后的上升沿信號(hào)TONR_1.DN，均關(guān)聯(lián)輸出故障復(fù)位指令DOP4，可靠消除F10114故障。同時(shí)，將原起動(dòng)指令DIP1和預(yù)充電完成信號(hào)（DIP2取“非”）相“與”，作為新起動(dòng)指令DOP1輸出。以梯形圖的形式編寫變頻器故障及起動(dòng)信號(hào)處理程序，如圖1所示。

改進(jìn)完成后，分別設(shè)定掉電時(shí)間為2s、10s和30s，再次進(jìn)行試驗(yàn)，變頻器均能重新起動(dòng)并帶負(fù)荷正常運(yùn)行。

3 變頻器長線驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)端過電壓問題

為了降低線損和節(jié)約投資，動(dòng)力供電系統(tǒng)選用660V電壓等級(jí)。在變頻器投運(yùn)一段時(shí)間后，陸續(xù)發(fā)生多起電機(jī)繞組擊穿燒毀故障，給工藝生產(chǎn)帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 AB變頻器掉電重起動(dòng)控制邏輯

3.1 原因分析

檢查燒毀電機(jī)的定子繞組，發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)均位于線圈的第一匝上，說明該處絕緣更易老化受損。根據(jù)GB/T 22720.1—2008/IEC 60034-18-41：2006附錄A中的標(biāo)準(zhǔn)，變頻電機(jī)的定子繞組絕緣在不同位置上所能承受的最大電壓值見表3。

本工程中，變頻器統(tǒng)一安裝在配電室內(nèi)，與生產(chǎn)裝置約有幾百米不等的距離，致使連接電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力電纜較長。按表3所給公式計(jì)算，660V變頻電機(jī)相間允許承受的最大峰值電壓應(yīng)不超過1.78kV。然而，當(dāng)AB變頻器工作在40Hz時(shí)，現(xiàn)場實(shí)測電動(dòng)機(jī)端的線電壓，最大脈沖電壓峰值達(dá)到1.96kV，且上升時(shí)間在1μs左右，如圖2所示。

表3 不同供電條件下散嵌繞組星形接法電機(jī)其定子繞組絕緣在不同位置上承受的最大電壓（1級(jí)、2電平變頻器）

圖2 AB變頻器40Hz時(shí)線電壓群脈沖

電壓型變頻器經(jīng)逆變輸出的是一系列PWM電壓波，隨著功率器件開關(guān)頻率的逐步提高，使得變頻器輸出脈沖電壓的上升時(shí)間大大縮短，帶來一些顯著的負(fù)面影響。當(dāng)變頻器經(jīng)長線電纜驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于電纜和電動(dòng)機(jī)特性阻抗不匹配，將在電動(dòng)機(jī)端發(fā)生脈沖電壓反射而產(chǎn)生過電壓以及高阻尼振蕩，加劇電機(jī)繞組的絕緣壓力。此外，當(dāng)變頻器輸出PWM脈沖電壓的脈寬很小時(shí)，會(huì)在電纜線上發(fā)生雙脈沖效應(yīng)和極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)端產(chǎn)生更為嚴(yán)重的過電壓，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

3.2 采取的對(duì)策

1）調(diào)整AB變頻器的電機(jī)控制參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置見表4。根據(jù)變頻電機(jī)運(yùn)行工況，適當(dāng)降低PWM開關(guān)頻率，可以減小脈沖電壓變化率。將變頻器“電機(jī)選項(xiàng)配置”中位5（位從0起算）置“1”，啟用長距離電機(jī)電纜的反射波電壓保護(hù)。

表4 AB變頻器模擬輸入濾波器參數(shù)表

2）當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)安裝的距離超過300m時(shí)，要考慮在兩者之間加裝出線電抗器或正弦濾波器，其作用是延長脈沖上升時(shí)間，從而有效抑制電動(dòng)機(jī)端過電壓幅值，使負(fù)載接收到波形較好的交流電。關(guān)于出線電抗器或正弦濾波器的配置，主要根據(jù)動(dòng)力電纜長度、額定電流和電壓等來確定。以某160kW變頻器為例，額定電流一般按長期工作電流計(jì)算，電壓降取3%左右，具體選型見表5。

表5 輸出電抗器或正弦濾波器選型表

改進(jìn)主電路后，再次現(xiàn)場實(shí)測電動(dòng)機(jī)端的線電壓，最大脈沖電壓峰值僅到1.62kV，上升時(shí)間也展寬為3μs以上，如圖3所示。

實(shí)踐證明，適當(dāng)選配出線電抗器或正弦濾波器與變頻器配套使用，可以有效地防止因輸出過電壓對(duì)負(fù)載電動(dòng)機(jī)的沖擊。

圖3 改進(jìn)后AB變頻器40Hz時(shí)線電壓群脈沖

3）GB/T 22720.1—2008《電壓型變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機(jī)Ⅰ型電氣絕緣結(jié)構(gòu)的鑒別和型式試驗(yàn)》指出：在短時(shí)上升時(shí)間沖擊下，高電壓應(yīng)力分布在第一個(gè)線圈或單個(gè)繞組為一相的線圈上。因此，要求制造廠必須使用變頻專用漆包線制作電機(jī)繞組，加強(qiáng)槽口、層間、相間和引線絕緣，同時(shí)在定子線圈首匝上設(shè)計(jì)絕緣套管，如圖4所示。

4 結(jié)束語

通過以上問題的分析及解決，改善了AB變頻器的控制調(diào)節(jié)性能品質(zhì)，提高了變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體可靠性，取得很好的應(yīng)用效果。同時(shí)，對(duì)AB變頻器及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，可大大減少因電氣故障原因造成的非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)，有效保障了化工裝置生產(chǎn)運(yùn)行的安全性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。

圖4 變頻電機(jī)繞組絕緣改進(jìn)示例

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2017-01-19）